基于LabVIEW的虛擬數(shù)字存儲示波器的設計

部德才+張永平

摘 要：利用LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集、處理和程序設計功能，設計、開發(fā)了一款數(shù)字存儲示波器。它主要是由信號輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和波形顯示及存儲模塊組成，是通過軟件編程實現(xiàn)信號的顯示和測量等功能的。在虛擬示波器上集成的虛擬信號發(fā)生器可以在聲卡采集和虛擬信號輸入之間切換。實驗結(jié)果表明，該虛擬示波器基本實現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器的功能，并且運行可靠、性能良好，能夠滿足普通實驗室正常的使用需求。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；數(shù)字存儲示波器；聲卡數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）20-0105-03

示波器是工程和教學中使用非常廣泛的一種儀器，尤其是在與電氣工程相關(guān)的專業(yè)中，數(shù)字存儲示波器已經(jīng)成為了比較流行的信號采集和分析工具。由于其固有的高輸入阻抗，所以，數(shù)字示波器可以用于分析高精度模擬和數(shù)字電路。

近年來，數(shù)字存儲示波器已經(jīng)實現(xiàn)了與PC連接的附加功能，可以將信號存儲在電腦中供日后分析。然而，示波器具有的功能越多，價格就越昂貴，不適合本科層次的初學者使用。這些市面上銷售的示波器往往得不到充分的利用，它們的先進功能與本科實驗室中低功耗、低頻率的要求相比就顯得有些浪費。此外，在實驗室中使用個人電腦分析數(shù)據(jù)，在很大程度上促進了數(shù)字示波器與PC的功能銜接。本文提出了基于PC的數(shù)據(jù)采集硬件方案、軟件和顯示模塊集成系統(tǒng)，設計了一款基于聲卡的虛擬數(shù)字存儲示波器，充分利用聲卡A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)越性能，配合LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集和處理功能的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時，為了便于實際使用，在虛擬示波器上集成了虛擬信號發(fā)生器，這樣就可以產(chǎn)生多種信號，并可以在聲卡采集和虛擬信號輸入之間切換，以滿足不同應用場合的需要。

1 設計方案和軟件實現(xiàn)

1.1 虛擬數(shù)字存儲示波器的系統(tǒng)組成

虛擬數(shù)字存儲示波器與傳統(tǒng)的示波器有同樣的功能，它是由信號輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和波形顯示及存儲模塊三大部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

信號輸入模塊將聲卡輸入的外部信號或虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號輸入虛擬數(shù)字存儲示波器進行信號處理和顯示。其中，數(shù)據(jù)采集單元是由計算機自帶聲卡完成的，聲卡的A/D轉(zhuǎn)換性能穩(wěn)定，分辨率較高，用于數(shù)據(jù)采集可以大大節(jié)省硬件資源，構(gòu)建一個高性價比的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是，聲卡只能接受弱電信號，如果輸入信號的電壓超出規(guī)定范圍，就必須衰減后再輸入。

數(shù)據(jù)處理模塊是虛擬數(shù)字存儲示波器的核心部分，它主要是由信號調(diào)理單元、同步觸發(fā)單元、運算單元和雙通道信號合成單元構(gòu)成。信號調(diào)理單元將輸入的信號進行必要的增益調(diào)整和直流偏移量調(diào)整，以實現(xiàn)屏幕顯示時的衰減度調(diào)節(jié)和波形位置移動。同步觸發(fā)單元主要完成掃描信號的產(chǎn)生和掃描方式的選擇。作為虛擬數(shù)字存儲示波器，最關(guān)鍵的是要自動生成掃描信號實現(xiàn)掃描功能。運算單元和雙通道信號合成單元主要是完成單通道或雙通道信號的疊加與合成。

波形顯示和存儲模塊將處理后的前端信號合成為波形圖像顯示，同時，將數(shù)字化的波形信號以文件的形式存儲起來，方便后期數(shù)據(jù)處理時調(diào)用。

1.2 虛擬數(shù)字存儲示波器的軟件設計

虛擬數(shù)字存儲示波器是利用LabVIEW編程的。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品，它是一種圖形化編程語言——G語言的開發(fā)環(huán)境，具有簡單、直觀、便于使用的特點。虛擬示波器的前面板完全仿照真實的儀器面板，使用者使用鼠標點擊前面板上相應的按鍵或旋鈕操作時，與真實儀器的操作過程是完全相同的。

1.2.1 信號輸入模塊

信號輸入模塊使用1個布爾開關(guān)選擇信號源的種類。當開關(guān)指向“SOUND CARD SIGNAL”時，由聲卡采集信號；當開關(guān)指向“VIRTUAL SIGNAL GENERATER”時，由虛擬信號發(fā)生器輸入信號；當輸入方式選擇“SOUND CARD SIGNAL”時，由聲卡采集信號，SI Config.vi和SI Start.vi2個節(jié)點分別用于配置和開啟聲卡。聲卡數(shù)據(jù)采集的背面板程序框圖如圖2所示。聲卡設置為立體聲采樣，保證左右兩聲道分別采集兩路信號，以實現(xiàn)示波器的雙通道工作。外部模擬信號經(jīng)過聲卡A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過SI Read.vi將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)整塊讀出，暫存到內(nèi)存中的用戶數(shù)組，這樣就將外部模擬信號轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)字信號，為后續(xù)信號的數(shù)據(jù)處理和顯示創(chuàng)造了條件。每次循環(huán)結(jié)束后，經(jīng)過SI Clear.vi將聲卡釋放，為下一次采集作準備。

當輸入方式選擇“VIRTUAL SIGNAL GENERATION”時，由虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，其前面板如圖3所示。通過前面板上的控件可以控制產(chǎn)生的虛擬信號的波形、幅度和頻率等參數(shù)。虛擬信號的產(chǎn)生主要是由“Basic Function Generation.vi”實現(xiàn)的，它將波形、頻率、幅度和相位等參數(shù)控件分別連接到相應節(jié)點上，這樣就可以從輸出端輸出所需的波形信號。

1.2.2 信號同步觸發(fā)單元

信號的同步觸發(fā)是虛擬數(shù)字存儲示波器和傳統(tǒng)示波器中重要的組成部分，它生成掃描信號進行掃描或?qū)㈦p通道中的一路信號作為觸發(fā)源進行信號掃描。掃描信號與被測信號合成后，顯示出可以觀測的信號波形。同步觸發(fā)單元的背面板程序框圖如圖4所示。虛擬示波器中的X軸觸發(fā)信號是由觸發(fā)電平控件產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電平數(shù)值，與被測信號數(shù)組中的各數(shù)據(jù)比較，判斷觸發(fā)電平數(shù)值是否在觸發(fā)范圍內(nèi)，并逐次積累數(shù)組中的索引值，直到超出觸發(fā)范圍后方可退出循環(huán)。在設計前面板控件時，增加了觸發(fā)源和觸發(fā)極性控件，選擇將A通道或B通道信號作為觸發(fā)源以及正極性觸發(fā)或負極性觸發(fā)，“LEVEL”控件則用于調(diào)整觸發(fā)信號的電平。

1.2.3 信號調(diào)理和運算單元

信號調(diào)理主要包括調(diào)節(jié)信號在屏幕上顯示時的Y軸增益和波形位移的控制。信號運算則是指將兩路信號相加、相減或同時顯示。該部分功能的操作面板與真實示波器基本相同，前面板包括雙通道Y軸增益調(diào)整和微調(diào)、掃描速度和微調(diào)、X軸與Y軸位移調(diào)整等控件，背面板程序框圖如圖5所示。分支結(jié)構(gòu)是用來完成信號源的選擇，利用代數(shù)乘法實現(xiàn)對信號增益的控制，利用代數(shù)加法實現(xiàn)對波形位移的調(diào)整。

1.2.4 波形顯示及存儲模塊

經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理，波形信號主要以數(shù)組的形式存儲和傳輸。利用數(shù)組的打包工具可以將兩路信號打包輸入顯示器，波形顯示和存儲模塊背面板程序框圖如圖6所示。利用LabVIEW自帶的Graph控件可以實現(xiàn)數(shù)字信號的圖形顯示，利用分支結(jié)構(gòu)和邏輯控制開關(guān)可以控制雙通道信號同時顯示和合成。

數(shù)據(jù)的存儲主要是通過Write to Spreadsheet File.vi子VI實現(xiàn)的。該子VI可以將數(shù)組轉(zhuǎn)化為字符串文件存儲，并將其保存到計算機中。

2 虛擬數(shù)字存儲示波器的調(diào)試和實驗結(jié)果

將信號輸入方式選擇為由聲卡輸入信號，將外部真實信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路正弦波信號通過自制的BNC-φ3.5 mm傳輸線連接至聲卡的LINE IN輸入端，適當調(diào)節(jié)計算機聲音輸入的音量電平，使輸入信號幅度處于聲卡的接收范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和信號衰減，選擇雙通道信號同時顯示，在屏幕上顯示兩路輸入信號的波形，如圖7所示。

將信號輸入方式選擇為由虛擬信號發(fā)生器輸入，并調(diào)節(jié)虛擬信號發(fā)生器的波形、幅度和頻率，產(chǎn)生兩路正弦波信號。將示波器調(diào)至X-Y合成模式，顯示兩路頻率相同的正弦波合成利薩如圖形，如圖8所示。實驗結(jié)果表明，設計的虛擬數(shù)字存儲示波器能夠完全顯示信號的波形，并能合成利薩如圖形，與真實的示波器一致。

3 結(jié)束語

采用PC技術(shù)和LabVIEW技術(shù)設計了虛擬數(shù)字存儲示波器，實現(xiàn)了信號輸入、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和存儲等功能。測試結(jié)果表明，利用聲卡采集外部待測信號數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)的性價比高，通用性強，界面友好，數(shù)據(jù)存儲方便，性能穩(wěn)定、可靠。在聲卡性能越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測量應用和相關(guān)實驗室中進一步推廣，同時，還可以實現(xiàn)信號發(fā)生器和萬用表等設備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應用前景較為廣闊。但是，由于受到聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能的限制，其最大采樣頻率不超過44.1 kHz，頻率范圍也只能局限于音頻范圍內(nèi)?？傊?，運用廉價的聲卡在LabVIEW環(huán)境中構(gòu)成1個較高采樣精度、中等采樣頻率，而且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種很好的選擇。

參考文獻

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1.2.4 波形顯示及存儲模塊

經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理，波形信號主要以數(shù)組的形式存儲和傳輸。利用數(shù)組的打包工具可以將兩路信號打包輸入顯示器，波形顯示和存儲模塊背面板程序框圖如圖6所示。利用LabVIEW自帶的Graph控件可以實現(xiàn)數(shù)字信號的圖形顯示，利用分支結(jié)構(gòu)和邏輯控制開關(guān)可以控制雙通道信號同時顯示和合成。

數(shù)據(jù)的存儲主要是通過Write to Spreadsheet File.vi子VI實現(xiàn)的。該子VI可以將數(shù)組轉(zhuǎn)化為字符串文件存儲，并將其保存到計算機中。

2 虛擬數(shù)字存儲示波器的調(diào)試和實驗結(jié)果

將信號輸入方式選擇為由聲卡輸入信號，將外部真實信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路正弦波信號通過自制的BNC-φ3.5 mm傳輸線連接至聲卡的LINE IN輸入端，適當調(diào)節(jié)計算機聲音輸入的音量電平，使輸入信號幅度處于聲卡的接收范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和信號衰減，選擇雙通道信號同時顯示，在屏幕上顯示兩路輸入信號的波形，如圖7所示。

將信號輸入方式選擇為由虛擬信號發(fā)生器輸入，并調(diào)節(jié)虛擬信號發(fā)生器的波形、幅度和頻率，產(chǎn)生兩路正弦波信號。將示波器調(diào)至X-Y合成模式，顯示兩路頻率相同的正弦波合成利薩如圖形，如圖8所示。實驗結(jié)果表明，設計的虛擬數(shù)字存儲示波器能夠完全顯示信號的波形，并能合成利薩如圖形，與真實的示波器一致。

3 結(jié)束語

采用PC技術(shù)和LabVIEW技術(shù)設計了虛擬數(shù)字存儲示波器，實現(xiàn)了信號輸入、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和存儲等功能。測試結(jié)果表明，利用聲卡采集外部待測信號數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)的性價比高，通用性強，界面友好，數(shù)據(jù)存儲方便，性能穩(wěn)定、可靠。在聲卡性能越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測量應用和相關(guān)實驗室中進一步推廣，同時，還可以實現(xiàn)信號發(fā)生器和萬用表等設備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應用前景較為廣闊。但是，由于受到聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能的限制，其最大采樣頻率不超過44.1 kHz，頻率范圍也只能局限于音頻范圍內(nèi)?？傊?，運用廉價的聲卡在LabVIEW環(huán)境中構(gòu)成1個較高采樣精度、中等采樣頻率，而且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種很好的選擇。

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1.2.4 波形顯示及存儲模塊

經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理，波形信號主要以數(shù)組的形式存儲和傳輸。利用數(shù)組的打包工具可以將兩路信號打包輸入顯示器，波形顯示和存儲模塊背面板程序框圖如圖6所示。利用LabVIEW自帶的Graph控件可以實現(xiàn)數(shù)字信號的圖形顯示，利用分支結(jié)構(gòu)和邏輯控制開關(guān)可以控制雙通道信號同時顯示和合成。

數(shù)據(jù)的存儲主要是通過Write to Spreadsheet File.vi子VI實現(xiàn)的。該子VI可以將數(shù)組轉(zhuǎn)化為字符串文件存儲，并將其保存到計算機中。

2 虛擬數(shù)字存儲示波器的調(diào)試和實驗結(jié)果

將信號輸入方式選擇為由聲卡輸入信號，將外部真實信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路正弦波信號通過自制的BNC-φ3.5 mm傳輸線連接至聲卡的LINE IN輸入端，適當調(diào)節(jié)計算機聲音輸入的音量電平，使輸入信號幅度處于聲卡的接收范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和信號衰減，選擇雙通道信號同時顯示，在屏幕上顯示兩路輸入信號的波形，如圖7所示。

將信號輸入方式選擇為由虛擬信號發(fā)生器輸入，并調(diào)節(jié)虛擬信號發(fā)生器的波形、幅度和頻率，產(chǎn)生兩路正弦波信號。將示波器調(diào)至X-Y合成模式，顯示兩路頻率相同的正弦波合成利薩如圖形，如圖8所示。實驗結(jié)果表明，設計的虛擬數(shù)字存儲示波器能夠完全顯示信號的波形，并能合成利薩如圖形，與真實的示波器一致。

3 結(jié)束語

采用PC技術(shù)和LabVIEW技術(shù)設計了虛擬數(shù)字存儲示波器，實現(xiàn)了信號輸入、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和存儲等功能。測試結(jié)果表明，利用聲卡采集外部待測信號數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)的性價比高，通用性強，界面友好，數(shù)據(jù)存儲方便，性能穩(wěn)定、可靠。在聲卡性能越來越好、成本越來越低、普及率越來越高的情況下，這種辦法值得在工程測量應用和相關(guān)實驗室中進一步推廣，同時，還可以實現(xiàn)信號發(fā)生器和萬用表等設備在音頻范圍內(nèi)的基本功能，其應用前景較為廣闊。但是，由于受到聲卡A/D轉(zhuǎn)換性能的限制，其最大采樣頻率不超過44.1 kHz，頻率范圍也只能局限于音頻范圍內(nèi)。總之，運用廉價的聲卡在LabVIEW環(huán)境中構(gòu)成1個較高采樣精度、中等采樣頻率，而且具有很大靈活性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是一種很好的選擇。

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